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1、合成孔径雷达(SAR)技术,中国科学院电子所2002/12/09,SAR 技术概述,SAR 是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，可以获得区域目标的图像。SAR 具有广泛的应用领域，它有两种模式 机载SAR 星载SAR,SAR 发展概况,1. 1951年, Carl Wiley 首次提出利用频率分析方法改善雷达的角分辨率.2. 1953年, 伊利诺依大学采用非聚焦方法使角度分辨率由4.13度提高到0.4度,并获得第一张SAR图像.3. 1957年, 密西根大学采用光学处理方式, 获得了第一张全聚焦SAR图像.4. 1978年, 美国发射了第一颗星载Seasat-1.5. 1991年, 欧洲空间
2、局发射了ERS-1.6. 1995年, 加拿大发射了Radarsat-1.7. 2000年, 欧洲空间局发射了ASAR.8. 2003年, 日本准备发射ALOS SAR.,各国SAR系统,美国: Seasat-1, Sir-A, Sir-B, Sir-C, LACROSSE SAR, LightSAR, Medsat SAR欧洲: ERS-1, ERS-2, XSAR, ASAR加拿大: Radarsat-1, Radarsat-2俄罗斯: Almaz-1日本: JERS-1,SAR的特点 I,为什么使用雷达成像技术全天候，穿透云雾能力全天时工作穿透植被和树叶目标与频率的相互关系运动检测,SA
3、R的特点 II,合成孔径技术提高方位分辨率:实例: 星载SAR距离850km，工作频率1.276GHz，像素分辨率25m 需要 8km 合成孔径,应用领域,地形测绘与地质研究中的应用 如埃及古河道的发现, 阿尔贝托油田的分析农业和林业中的应用如土地利用调查, 土壤水分测量, 作物生长与分类海洋研究和监测方面的应用 如海面石油污染的监测军事方面的应用 如军事目标的识别与定位减灾防灾方面的应用 如森林火灾,地震等灾害的预报,合成孔径原理,8km 的孔径长度由小天线实现原理,SAR合成孔径原理,SAR合成孔径原理-波束形成,天线阵,目标,d,相邻两个阵源接收信号的空间延迟为:,SAR合成孔径原理-波
4、束形成,相邻两个阵源接收信号的相位差为:,M个阵源接收的信号序列为:,其中 为单个阵源的天线方向图,满足:显然, M个阵源接收的信号构成等比级数,SAR合成孔径原理-波束形成,对M个阵源接收信号构成的等比级数求和, 可以得到:,SAR合成孔径原理-波束形成,取M个信号和的包络, 可以得到:,上式表明, 单个阵源的波束宽度被加权, 等效形成新的波束.新波束的形状由上式第二个因子决定.,SAR合成孔径原理-波束形成,显然, 上式的形状由分子决定, 其中:,式中, R为目标的距离, 为目标的横向分辨距离,SAR合成孔径原理-波束形成,求第一零点位置确定半功率点分辨率, 令:,这样, 经过阵列信号处理
5、后的波束分辨率为:,SAR合成孔径原理-波束形成,考虑合成孔径雷达信号的双程相位差,最后, 合成孔径雷达的波束分辨率为:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,目标A,目标By,聚焦,R,聚焦与非聚焦示意图,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,对于目标A, 天线任意位置与其的距离为:,因为目标的距离与天线横向移动的距离相比较大, 则运用泰勒级数展开进似可以得到:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,则对于目标A, 回波信号的双程相位差为:,同理, 对于目标B, 回波信号的双程相位差为:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,则对任意位置y, 在整个孔径时间内积分可以得到目标在所有y位置上的
6、信号包络. 当对雷达载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时 这时的积分处理称非聚焦处理, 否则称为聚焦处理.,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,非聚焦处理,在y处的点目标回波响应为:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,求半功率点波束宽度, 令:,最后得到其横向分辨率为:,真实孔径天线横向分辨率为:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,聚焦处理,聚焦处理需要对二次相位差进行补偿, 有:,这时回波响应为:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,求归一化回波功率增益:,求半功率点波束宽度, 令:,SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理,合成孔径的最大长
7、度为:,最后得到其横向分辨率为:,最终,理论上合成孔径的横向分辨率为:,SAR合成孔径原理-频率分析方法,1951年, Carl Wiley首次提出频率分析方法解决雷达角分辨率问题. 从多普率频率分辨出发, 研究目标的分辨. 证明当两个点目标其多普勒频率可分时, 两个目标空间上也可分.,SAR合成孔径原理-频率分析方法,目标的多普勒频率,SAR合成孔径原理-频率分析方法,对目标P1,P2, 它们多普勒频率为:,它们多普勒频率差为:,SAR合成孔径原理-频率分析方法,通常存在下面关系:,SAR合成孔径原理-频率分析方法,所以点目标间的多普勒增量为:,多普勒频率分辨与滤波器时间常数存在如下关系:,
8、只要多普勒频率增量能够被分辨, 则方位分辨率为:,SAR合成孔径原理-频率分析方法,当 度, 多普勒滤波器的时间常数为:,最终的方位分辨率为:,SAR 基本概念,最大聚焦合成孔径长度:天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度SAR 聚焦分辨率:分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波长无关,SAR 基本组成,SAR天线子系统,高功率微波电路,接收机,校准系统,发射机,电源分配单元,定时与数据处理,载荷计算,磁波记录器,传输系统,SAR 基本组成,输入数据接口,方位 预处理,距离 压缩,距离走动校正,方位 压缩,幅度 检测,多视 相加,参考函数产生,控制 单元,运动参数提取,几何幅度校正,输出数据
9、调节,SAR数字信号处理,控制指令,惯性导航系统,SAR 主要性能指标,频率与极化分辨率与观测带宽重复观测周期辐射精度定位精度模糊特性,SAR 主要性能指标-频率与极化,1. 大气传输窗口2. 频率与信息3. 极化与信息4. 系统特征与图像质量5. 设备复杂性与继承性,SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽,1. 空间分辨率距离分辨率:,:为光速:为距离加权展宽系数:幅相频率特性误差引起的展宽系数:为入射角:为发射的线性调频信号带宽,SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽,1. 空间分辨率方位分辨率:,:为方位加权展宽系数:信号分布不均匀引起的展宽系数:为地速引起的改善系数:为天线加权展宽系数
10、,SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽,2. 观测带宽距离向3dB波束宽度对应的地面距离跨度,近距点,远距点,h,波束中心,波束宽度,波束视角,SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽,2. 观测带宽,近距点距离:,远距点距离:,测绘带宽度:,SAR 主要性能指标-重复观测周期,轨道的设计,SAR 主要性能指标-辐射精度,定量微波遥感测量建立雷达图像与目标散射系数之间的传递函数,SAR 主要性能指标-辐射精度,1. 辐射分辨率:,2. 辐射精度:,SAR 主要性能指标-定位精度,1. 目标定位2. 目标定位误差源 * 回波时延误差 * 电磁波传播效应误差 * 目标高度误差 * 多普勒中心频率误
11、差 * 时钟误差 * 卫星的星历误差,SAR 主要性能指标-模糊特性,距离模糊方位模糊,SAR 主要性能指标-模糊特性,距离模糊,测绘带,模糊带,h,波束宽度,模糊带,SAR 主要性能指标-模糊特性,近距点回波时间:,远距点回波时间:,为满足测绘带内的单值测量,脉冲重复周期应满足:,SAR 主要性能指标-模糊特性,测绘带外的回波信号会造成距离模糊,当下面条件成立时, 距离模糊产生,SAR 主要性能指标-模糊特性,方位模糊,飞行方向,模糊波束指向,SAR 主要性能指标-模糊特性,合成后的波束方向图:,上式的函数形式具有周期重复特性,重复位置出现在:,SAR 主要性能指标-模糊特性,l=0.2;N
12、=512;vs=300;Tr=1/100;d=vs*Tr;t=-1.5*pi/180:pi/(180*512):1.5*pi/180;a=sinc(2*N*pi*d.*sin(t)/l);b=sinc(2*pi*d.*sin(t)/l);c=a./b;plot(abs(c),SAR 主要性能指标-模糊特性,当n=1时, 为第一对模糊波束位置:,SAR 主要性能指标-模糊特性,如果SAR天线实孔径尺寸为D,则其方向图:,该方向图的零点位置:,SAR 主要性能指标-模糊特性,要想模糊信号不产生影响, 必须使:,当n=1时, 为第一零点位置:,SAR 主要性能指标-模糊特性,方位模糊的抑制,SAR
13、系统参数选择,SAR雷达方程脉冲重复频率的选择相位误差,SAR 系统参数选择-SAR雷达方程,常规雷达方程:,距离向脉冲压缩后, 信噪比改善为:,方位向压缩后, 信噪比改善为:,SAR 系统参数选择-SAR雷达方程,SAR雷达方程:,其中, 合成孔径时间:,SAR 系统参数选择-SAR雷达方程,SAR雷达方程:,结论: (1) 与距离的三次方成反比 (2) 与飞行速度成反比,SAR 系统参数选择-SAR雷达方程,当目标非分布目标时:,则分布目标, SAR雷达方程:,SAR 系统参数选择-脉冲重复频率,脉冲重复频率间的选择: (1) 方位模糊 (2) 距离模糊,方位信号带宽:,SAR 系统参数选
14、择-脉冲重复频率,方位信号的采样定律:,距离信号测量的单值条件:,远距点回波时间:,SAR 系统参数选择-相位误差,相位误差,目标,多普勒频率相位:,SAR 系统参数选择-相位误差,造成多普勒频率相位误差的原因: (1) 飞机姿态的变化 (2) 天线指向误差 (3) 飞机速度的变化 (4) 飞机位置的偏移,SAR 系统参数选择-相位误差,斜距的变化会影响多普勒信号的调频斜率:,SAR 系统空间几何关系,星载系统的地心坐标系机载系统的地面惯性坐标系,星载SAR-地心坐标系,卫星轨道设计波束指向计算地面坐标转换仿真结果,星载SAR-轨道设计,星载SAR-轨道设计,星载SAR-轨道设计,星载SAR-
15、轨道设计,星载SAR-波束指向,星载SAR-地面坐标转换,星载SAR-仿真实验,星载SAR-地心坐标系,机载SAR-惯性坐标系,机载SAR-仿真实验,机载SAR测量定位系统软件,SAR成像模式,Stripmap, Spotlight, Scan, ISAR (not pictured),SAR成像模式,Stripmap(条带式):最早的成像模式，1950s低分辨率成像的最有效方法Spotlight(聚束式):在1970s提出获得较高的分辨率一次飞行中，通过不同视角改变对同一区域成像,SAR成像模式,Scan(扫描模式):信号处理非常复杂InSAR(干涉SAR)获取地面高度信息, 进行3D成像I
16、SAR(逆SAR)雷达静止, 目标运动,SAR信号处理-条带式成像,图像分辨率不高聚焦处理距离关系点目标提取: 聚焦数据距离校正处理算法: 匹配滤波,Example: Received raw stripmap data from point targets,SAR信号处理-条带式成像,匹配滤波计算速度频域相乘方法时域卷积方法,SAR信号处理-条带式成像,运动补偿问题多普勒频率漂移问题数据采样距离向方位向,SAR信号处理-条带式成像,脉冲宽度(T)与带宽成反比带宽增加，距离分辨率提高线性调频信号脉冲重复周期(PRI)或频率(PRF)采样定理的限制脉冲重复频率增加，方位分辨率提高,SAR信号处理
17、-条带式成像,距离采样满足采样定律方位采样(PRF)必须满足:Rfar = 远距点, Rnear =近距点,SAR使用的波段,VHF/UHF 125 to 950 MHzC band 5.3 GHz X band 7.5 to 10.2 GHzKu band 14 to 16 GHzKa band 32.6 to 37.0 GHz,SAR图像例,美国加州洛杉矶的卫星雷达图像,南极卫星雷达图像,军事目标的卫星雷达图像,SAR的未来,多频, 多极化, 可变视角, 可变波束超高分辨率, 多模式干涉合成孔径(InSAR)技术动目标检测与动目标成像技术小卫星雷达技术SAR校准技术,参考文献,Tony F
18、reeman, Jet Propulsion Laboratory. What Is Imaging Radar. Fitch, J. P. Synthetic Aperture Radar. Springer-Verlag, New York, 1988.Soumekh, M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing. Wiley, New York, 1999.Carrara, W. G., et al. Spotlight Synthetic Aperture Radar Signal Processing Algorithms. Artec
19、h House, Boston, 1995.The Alaska SAR Facility. http:/www.asf.alaska.edu/,SAR回波信号特性,空间几何关系回波信号模型回波信号的特性,SAR回波信号特性-空间几何关系,SAR空间几何关系,合成孔径雷达坐标系,假设被测目标为一理想点目标P，P点与航线的垂直斜距为Ro。我们建立航线和Ro所构成的坐标平面。设雷达天线在t=0时，位于坐标原点。在某一瞬时t，雷达天线的位置在Xa=Va*t。点目标P的位置在这个坐标系里是固定的，其坐标为(Xp,Ro)。,SAR回波信号特性-空间几何关系,在t时刻，P与雷达天线的斜距为：,一般情况下，
20、上式可近似为：,SAR回波信号特性-空间几何关系,=,设发射信号为：,则接收信号为：,其中,SAR回波信号特性-回波信号模型,则接收信号为：,该信号的相位为：,SAR回波信号特性-回波信号模型,发射信号的线性相位,与距离有关的常数相位,飞机运动产生的二次相位,SAR回波信号特性-回波信号模型,如果令Xo=V*to，Xp=V*t，则有,将相位对时间求导数，即得回波信号的瞬时频率：,SAR回波信号特性-回波信号的特性,天线与目标相对运动引起的多普勒频移为：,它随时间呈线性变化，可见回波信号是一种线性调频信号，其调频斜率为：,SAR回波信号特性-回波信号的特性,以to为中心，在整个合成孔径时间内，多
21、普勒频率的最大值出现在两个端点处，即：,SAR回波信号特性-回波信号的特性,回波多普勒频移得带宽为：,SAR回波信号特性-回波信号的特性,SAR成像处理算法,处理流程距离迁移和聚焦深度距离迁移校正多普勒参数估计,SAR成像处理算法-处理流程,从信号处理角度，SAR的数字成像可以归结为一个解二维卷积的过程：,SAR信号的二维相关问题分解成距离向和方位向两个一维相关卷积：,图 RD算法处理流程图,图 SAR二维回波数据,图 距离压缩后的二维数据,SAR成像处理算法-距离迁移和聚焦深度,对于不同的脉冲，经距离压缩后的点目标响应必然出现在不同的距离上，这就是距离迁移。由于距离迁移现象的存在，必须从不同
22、的距离门中得到用于一次方位处理的数据。它们在数据阵中的曲线(距离迁移曲线)为:,SAR成像处理算法-距离迁移和聚焦深度,SAR成像处理算法-距离迁移和聚焦深度,其中:,距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，距离迁移为,虽然距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，但它的大小随系统参数不同而变化，并不总需要补偿。通常认为，如果最大距离迁移值不大于四分之一个距离分辨单元，则距离迁移不需要补偿，即：,为方位分辨率,SAR成像处理算法-距离迁移和聚焦深度,可以在多宽的距离间隔之内使用相同的方位滤波器，就是聚焦深度。如果在方位处理器中所使用的Ro不是目标点的真实距离，它的误差导致的fr的失配为,一般认为在多
23、普勒频带边缘由失配造成的相位差小于45度，则失配是可以忽略的。因此，聚焦深度准则为,SAR成像处理算法-距离迁移和聚焦深度,SAR成像处理算法-距离迁移校正,时域的距离迁移方程为：,SAR成像处理算法-距离迁移校正,多个点目标的距离迁移,SAR成像处理算法-距离迁移校正,点目标的多普勒历程为：,频域的距离迁移方程为：,SAR成像处理算法-距离迁移校正,频域距离迁移,多普勒参数估计,点目标回波信号为：,其中， 是多普勒中心频率 是多普勒调频率,多普勒参数估计,点目标回波信号匹配滤波器应为点目标信号模型的共轭：,可见通过参数 和 的估计，可以构造出匹配压缩函数。,多普勒参数估计,多普勒参数估计是指
24、从雷达回波本身去提取多普勒参数的各种方法。 其目的是获得以下两个参数的估计值：,是多普勒中心频率 是多普勒调频率,方位谱直接测量,雷达回波的方位向频谱为,对多条方位功率谱线进行平均，得到：,若地面后向散射系数服从高斯分布，则：,我们可以得到：,由此可以看出，方位功率谱与点目标的方位匹配压缩函数有直接的关系，而方位匹配压缩函数的形式由两个多普勒代估计参数决定，利用这一点可直接从回波的方位功率谱中提取多普勒参数。,方位谱直接测量,方位谱峰测定法 功率谱能量平衡法 方位功率谱宽测定法,方位谱直接测量,方位谱峰侧定法 SAR回波信号的方位功率谱受天线方位向方向图的调制，由于方位图的峰值为天线指向中心，
25、因此功率谱峰值的位置就是多普勒中心频率的位置。 这种方法的精度依赖于成像场景的均匀程度，越是均匀场景测量精度越高。一般SAR成像区域并非均匀场景，可对多条方位功率谱线进行平均来减少非均匀场景的起伏。但在场景变化很大时，其估计精度仍较差。,功率谱能量平衡法 在均匀场景中回波方位谱是关于多普勒中心频率对称的，如下图。,当fDc，有一定偏差时，满足：,方位功率谱宽测定法 方位功率谱宽是与多普勒带宽有关的。在SAR信号有足够大的时间带宽积时，可以认为方位功率谱宽就是多普勒带宽。 SAR信号的合成孔径时间T是确定的，因此可通过测量多普勒带宽求出多普勒调频率,杂波锁定方法,图 SAR飞过两个孔径,将两个子
26、孔径的图像能量进行比较，求出归一化能量差：,然后由能量差确定多普勒中心频率：,自聚焦方法,自聚焦方法利用多视子图像之间相关峰值位置求得多普勒调频率。 子孔径相关依赖于方位时间或位置与多普勒频率之间的锁定关系：,自聚焦方法,点目标的多普勒历程为：,则存在锁定关系：,自聚焦方法,则存在锁定关系：,若存在两个子孔径，则：,t,t0,1,2,fDc,fDc2,fDc1,对应两个子孔径1和2，可以获得关于目标A的两幅图像，这两幅图像的中心频率分别是fDc1和fDc2,A,利用两个子孔径，则存在：,对应两幅图像，同一个目标在方位方向上的时间差应为：,如果成像时使用的多普勒调频斜率不等于真实的多普勒调频斜率
27、，在补偿之后两幅图像之间仍会有一定的时间差：,采用迭代方法求多普勒调频斜率：,当迭代收敛后，利用直线拟合使：,Chirp Scaling成像算法,CS算法的优点CS算法流图CS算法的原理,Chirp Scaling成像算法,成像精度高避免RD算法中大量的插值运算解决了二次距离压缩(SRC)问题,方位FFT,距离FFT,距离IFFT,方位IFFT,SAR原始数据,变换线性调频尺度,距离校正与压缩,方位聚焦和剩余相位补偿,聚焦图像输出,Chirp Scaling算法的原理,变换线性调频尺度原理SAR原始信号的描述变换线性调频尺度算法,变换线性调频尺度原理,*两个线性调频信号的乘积仍然是一个线性调频
28、信号,设有两个线性调频信号：,则两个线性调频信号的乘积：,变换线性调频尺度原理,可见两个线性调频信号的乘积仍然是一线性调频信号，该调频信号的中心，调频斜率和中心相位分别为：,SAR原始信号描述,SAR点目标回波信号在距离和方位两位空间的相位可以表示为：,上述信号进行方位傅立叶变换可以得到：,SAR原始信号描述,其中：,飞机运动速度,SAR原始信号描述,变换线性调频尺度算法,1 方位FFT,变换线性调频尺度所要求的乘数是,使用相位尺度因子后，所有目标的距离弯曲轨迹相同：,方位,距离,目标原始位置处的距离弯曲曲线2,目标原始位置处的距离弯曲曲线1,参考位置处的归一化距离弯曲曲线,CS算法的均衡距离
29、弯曲,变换线性调频尺度算法,2 距离FFT,SAR首先进行方位向的傅立叶变换，然后进行距离向的傅立叶变换，获得二维频域信号谱。该信号谱沿距离方向与第二个像维函数相乘，可以完成距离弯曲校正、距离压缩和二次距离压缩，第二个相位函数是：,其中的相位用于距离聚焦，包括二次距离压缩其中的相位用于距离弯曲校正,变换线性调频尺度算法,3 距离IFFT 获得距离图像/多普勒域4 方位匹配滤波与剩余相位补偿 方位匹配滤波与剩余相位补偿使用的第3个相位函数是：,变换线性调频尺度算法,SAR成像质量评估,描述图像空间性能的指标描述图像辐射性能的指标SAR图像质量评估的主要指标,SAR成像质量评估,描述图像空间性能的
30、指标 1 观测带宽度和入射角，即成像区域的大小和位置。 2 图像的定位精度和几何畸变，即图像中各点的绝对位置和相对位置的精度。 3 图像空间分辨率，即图像上能区分的两个点的最小距离。,SAR成像质量评估,描述图像空间性能的指标 1 观测带宽度和入射角，即成像区域的大小和位置。 2 图像的定位精度和几何畸变，即图像中各点的绝对位置和相对位置的精度。 3 图像空间分辨率，即图像上能区分的两个点的最小距离。,SAR成像质量评估,SAR图像质量评估的主要指标 点目标测量指标 面目标测量指标,SAR成像质量评估,点目标测量指标 （1）空间分辨率 （2）等效分辨率 （3）扩展系数 （4）积分旁瓣比 （5）峰值旁瓣比,SAR成像质量评估,面目标测量指标 （1）图像均值、方差 （2）图像动态范围 （3）等效视数 （4）辐射分辨率,
